文摘目的研究芍药属4种药用植物叶绿体基因组特征、变异程度及芍药属和毛茛科植物的系统发育关系,为芍药属药用植物的分类地位和系统发育提供参考。方法应用二代高通量测序技术测定芍药Paeonia lactiflora叶绿体基因组,利用比较基因组学方法分析了芍药与川赤芍P.Veitchii、牡丹P.suffruticosa及杨山牡丹P.ostii等芍药属药用植物叶绿体基因组之间的结构特征及变异程度,以山地虎耳草Saxifraga sinomontana等植物为外类群,分析了芍药属植物与毛茛科植物的系统发育关系。结果芍药属4种药用植物的叶绿体基因组均为典型的四分结构,包含1个大单拷贝区(large single copy,LSC)、1个小单拷贝区(small single copy,SSC)和2个反向重复区(inverted repeats,IRa和IRb)。芍药叶绿体基因组序列长度为152731 bp,GC含量为38.43%,共注释到基因126个,其中82个蛋白质编码基因、36个t RNA基因和8个核糖体rRNA基因。重复序列分析发现芍药叶绿体基因组重复序列数量最多为48个,杨山牡丹最少为39个;只有芍药同时含有4种类型的重复序列。芍药含有最多的SSR序列达52个,4种植物SSR序列中单核苷酸重复占比达81%~86%,绝大多数为A/T重复。密码子偏好性分析表明芍药属4种药用植物中氨基酸出现频率均以亮氨酸最高,半胱氨酸最低;31种密码子具偏好性,且密码子偏好性与密码子第3位碱基具显著相关性。LSC/IRb、IRb/SSC、SSC/IRa和IRa/LSC边界附近的基因类型相同,相对保守,但牡丹组和芍药组之间仍具有差异。选择压力分析结果表明,绝大多数基因Ka/Ks值均小于1,受纯化选择,matK、ndhB和rpoA受到正选择。叶绿体基因组比较分析发现芍药属内4种药用植物的叶绿体基因组中非编码区比基因编码区的变异程度大,筛选出了6个基因间区和2个基因编码区的高变异区。系统发育分析结果显示,芍药与美丽芍药亲缘关系最近,所有芍药属植物被聚为一个分支,外类群把芍药属和毛茛科植物分隔开来,芍药属植物与毛茛科植物亲缘关系较远。结论芍药属4种植物在叶绿体基因组结构特征方面较为保守,但其变异程度存在一定差异;筛选出的8个高变异区可为芍药属药用植物的条形码开发、物种鉴定及药用植物质量控制提供候选片段;系统发育分析表明芍药属植物与外类群植物亲缘关系较近,而与毛茛科植物亲缘关系较远,为芍药属植物系统进化、芍药属药用植物的物种鉴定、质量控制及保护开发等研究奠定基础。
